Китайская команда из Пекинского университета разработала новую водную магний-ионную батарею, обеспечивающую 75 000 циклов

Репортаж от Wedoany，Команда профессора Пань Фэна из Школы новых материалов Шэньчжэньского филиала Пекинского университета совместно с партнёрами предложила стратегию «делокализации деформации», разработав высокобезопасную водную магний-ионную накопительную батарею с длительным циклом работы, обеспечивающую 75 000 циклов. Команда ввела легирование танталом в массив нанотрубок из триоксида молибдена, получив электродный материал оксида молибдена-тантала (MoTaOx). Результаты исследования недавно опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Водные батареи используют водный электролит и обладают неотъемлемой огнестойкостью, являясь широко исследуемым технологическим направлением в области безопасного хранения энергии. Традиционные водные батареи, представленные свинцово-кислотными и никель-металлогидридными, уже нашли применение в запуске автомобилей и бытовых устройствах, однако их плотность энергии крайне низка. Среди новых водных систем хранения энергии водные магний-ионные батареи благодаря высокому содержанию магния в земной коре, низкой стоимости и малому ионному радиусу обладают потенциалом для создания систем с высокой объёмной плотностью энергии при условии сохранения стабильности кристаллической решётки, однако их коммерциализация долгое время сдерживалась серьёзной деградацией при циклировании и фактической плотностью энергии, значительно ниже теоретической. Несмотря на изучение множества катодных материалов, снижение накопления деформации, вызванного внедрением ионов, и достижение длительного цикла работы остаются сложной задачей в этой области.

Исследовательская группа обнаружила, что легирование атомами тантала вводит кислородные вакансии вблизи концевых кислородных сайтов. Кислородные вакансии способны адсорбировать и диссоциировать межслойные молекулы воды, позволяя гидроксильным группам тантала образовывать комплексы с молекулами воды посредством водородных связей, что снижает кинетический барьер диффузии гидратированных ионов магния; одновременно упорядоченное расположение и диссоциация межслойных молекул воды могут ослабить межслойное расширение и внутреннюю деформацию, вызванные совместным внедрением гидратированных ионов магния. Вышеуказанные механизмы составляют основу накопления энергии электрода MoTaOx.

Благодаря оптимизированным каналам переноса ионов и эффективной способности к делокализации деформации электрод MoTaOx демонстрирует ёмкость 300 мА·ч/г при плотности тока 0,15 А/г и сохраняет высокую электрохимическую стабильность после 75 000 циклов, с суммарной ёмкостью 7,2 А·ч/г, значительно превосходя лучшие показатели, о которых сообщалось ранее. Объединённая команда также собрала полностью водную магний-ионную мягкую батарею и интегрированный магний-ионный микроаккумулятор, подтвердив потенциал данного материала для практического применения.

Данное исследование предлагает высокоёмкостный катодный материал со сверхдлинным циклом работы и на механизменном уровне проясняет путь к делокализации деформации при внедрении ионов путём регулирования локального координационного окружения, обеспечивая теоретическую и практическую поддержку для разработки водных батарей следующего поколения, сочетающих высокую плотность энергии и длительный срок службы.